张天琦，刘艳，罗雁云，周力



地面隔声墙高度对轨道交通高架结构噪声影响研究

张天琦1，刘艳2，罗雁云1，周力1

(1. 同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804；2. 上海材料研究所，上海 200437)

以轨道交通32 m双线混凝土简支箱梁为研究对象，采用现场实测及有限元、声学边界元联合仿真的方法，分析列车运行条件下桥梁低频结构辐射噪声的声场分布，在此基础上，考虑在桥梁附近设立不同高度的地面隔声墙，分析隔声墙高度对桥梁结构噪声的影响。研究结果表明：桥梁振动辐射的噪声主要集中在底板附近，以小于250 Hz的低频噪声为主，全局峰值出现在50~63 Hz频率段；在一些较为复杂的现场工况，例如居民楼距高架桥的距离较近，在居民楼和桥梁之间设立的隔声墙，可以在一定程度上降低桥梁结构噪声对居民生活的影响；位于桥梁附近的隔声墙对于墙后的场点有一定的降噪效果，降噪效果与隔声墙高度呈非线性关系，在考虑经济效益和美观的情况下，可以设立2.3 m左右的隔声墙。

轨道交通高架箱梁；桥梁低频辐射噪声；有限元；边界元；隔声墙高度

目前，我国城市轨道交通处于高速发展阶段，由轨道交通高架结构振动所带来的噪声问题，尤其是对沿线居民的影响也愈加受到重视，目前对于轨道交通高架桥采取的解决方法往往是在桥面上设立声屏障[1]，国内学者对桥梁结构噪声及声屏障降噪效果进行了相关的理论和试验研究，并取得了一系列的成果。雷晓燕等[2]分别对解析的波频域法、数值法、实验法和统计能量法进行了比较分析，提出有限元与边界元相结合的方法在研究轨道交通环境振动与噪声问题中具有较高的适用性。ZHANG等[3−4]对箱梁的结构噪声进行了计算，并将计算结果与成灌快铁线的测试结果进行对比，结果表明基于边界元法的噪声计算模型能够准确地反映结构噪声的分布情况，并提出在结构构造上降低箱梁结构噪声的办法。吴小萍等[5−6]采用有限元和边界元法，建立了高速铁路声屏障降噪模型，对不同高度直立型声屏障降噪效果进行仿真模拟，分析得知在同时考虑降噪需要和声屏障成本的情况下，高速铁路路基区段声屏障的合适高度为3.45~3.95 m。由此可知，采用有限元联合边界元的仿真方法用于计算桥梁结构噪声具有良好的适用性，桥面设立的声屏障具有一定的降噪效果。由于声屏障一般设立在桥梁顶板边缘处，对轮轨及空气噪声有较好的降噪效果，但并不能减弱桥梁结构振动所辐射的噪声，参考声屏障的降噪效果，考虑在桥梁和建筑物之间设立隔声墙，来削弱结构噪声对附近居民的影响。基于此，本文采用现场实测的方法，对我国某城市轨道交通高架段32 m双线简支混凝土箱梁的底板、翼板和腹板振动和桥梁近场噪声进行现场测试，利用有限元软件Abaqus建立基于32 m跨度箱梁桥在车辆运行状态下的车−轨−桥动力学仿真模型，分析车速60 km/h运行通过时桥梁底板、翼板和腹板的振动响应；进而将计算获取的振动响应作为外部激励输入到声学软件Virtual.lab中，采用瞬态边界元法预测桥梁结构振动辐射的声场分布规律，并在桥梁和居民楼之间建立不同高度的隔声墙，分析隔声墙后的场点声压级与声屏障高度的关系，为减少高架桥结构噪声对沿线居民的影响提供依据。

1 桥梁结构振动和噪声实测

1.1 试验概况

以我国某城市轨道交通高架线路32 m跨度双线简支箱梁为研究对象[7−9]，测试上行方向过路车以60 km/h时速通过时的桥梁结构振动及辐射噪声。桥上无声屏障，桥梁底板距地面约6.1 m，在距离桥梁中心线8 m处建有约4.5 m高的隔声墙；该桥附近有双向2车道公路，来往车辆较少，距桥梁中心线约20 m处有一独栋4层居民楼，因测试时间为工作时间，居民生活噪声较小，不会对测试数据产生干扰。如图1所示为现场测试全景图，图2为振动和噪声测点布置示意图，其中实心圆形标记为梁体底板、翼板和腹板的振动测点，柱状标记为噪声测点。桥梁尺寸见图2。

图1 试验现场工况全景图

1.2 噪声结果频域分析

因采用A计权会削弱噪声的低频部分，而高架箱桥的辐射噪声主要集中在250 Hz以下[8]，因此，为了客观分析桥梁低频辐射噪声的频域特征，在此采用线性计权进行分析。为了分析桥梁结构噪声的声场分布对沿线居民的影响，在此仅分析桥梁结构振动声辐射在水平方向的传递规律，如图3所示为试验获取的各噪声测点的线性计权1/3倍频程曲线。由图3可见：

1) 所有测点噪声声压级主要集中250 Hz以下，且在全频段均存在有3个峰值频率段，分别是6.3~10 Hz，幅值均在65 dB左右；50~63 Hz，峰值特性明显，幅值均大于80 dB；以及315~800 Hz，幅值为70 dB左右；可见低频噪声占主要成分。

2) 位于隔声墙后的场点声压级在中高频段(250~6 300 Hz)与隔声墙前的场点相比有所增加，而在250 Hz以下的低频段，尤其是峰值频率63 Hz左右，场点声压级有较为明显的降低[8]。

由此可见，隔声墙的存在对于某些特定的频率段有较好的降噪效果，因此在一些较为复杂的现场工况，例如，本文试验中居民楼距高架桥的距离仅为20 m，可以考虑在居民楼和桥梁之间设立隔声墙，以此来降低桥梁结构噪声对居民生活的影响。

单位：m

(a) 测点9-测点5-测点1(线性计权)；(b) 测点10-测点6-测点2(线性计权)；(c) 测点11-测点7-测点3(线性计权)；(d) 测点8-测点4(线性计权)

2 振动声辐射仿真模型

现场实测分析所得到的振动噪声数据均为实测数据，为理论分析提供了依据，但由于条件所限，现场测试的工况较为单一，而影响隔声墙降噪效果的因素多种多样，无法全部通过现场实测获得，因此，本文采用有限元联合边界元仿真分析的方法，研究列车运行时桥梁的结构振动响应，得到结构辐射噪声的声场分布情况，对不同高度隔声墙的降噪效果予以分析。

2.1 高架结构振动有限元模型

采用Abaqus有限元分析软件，依据试验对象32 m跨度简支箱梁建立车辆−轨道−桥梁有限元仿真计算模型，模型包括车辆，钢轨，无砟轨道板，梁体和墩体结构，计算列车通过时的桥梁系统振动响应。

模型中车辆采用单节B型车进行模拟。钢轨采用梁单元，截面属性为60轨；为了能够模拟单节列车通过桥梁跨中截面的全过程，建立两跨度64 m的广义截面梁；采用Cartesian连接单元模拟扣件系统；桥上无砟轨道板单块板长6.4 m，宽2.55 m，厚0.2 m，等间距装配10个轨道板；梁体横截面几何尺寸与图2中实测桥梁几何一致，材料属性为C50混凝土；模型中的截面材料属性如表1所示；梁体与桥墩之间采用弹簧阻尼单元连接。此外，本文选用美国6级高低不平顺谱作为模型的激励。高架桥梁结构振动有限元模型如图4所示，以图中第1跨桥梁为研究对象。

表1 模型中的材料参数

2.2 有限元动力响应分析

图5为列车通过时桥梁底板、腹板的实测与仿真振动1/3倍频程结果的对比。从图中可以看出，仿真计算结果与实测数据具有较好的一致性，梁体结构振动响应的频率特征和幅值特征基本吻合，且均在40~63 Hz和400~500 Hz附近出现峰值，峰值振级为107 dB左右。综上所述，该有限元模型得到了实测数据的有效验证，可用于预测梁体在不同测试工况下的振动响应，为后文研究复杂工况下结构辐射噪声问题提供了模型基础。

图4 高架结构振动有限元模型

(a) 底板；(b) 腹板；(c) 翼板

2.3 结构辐射噪声仿真分析

2.3.1 结构辐射噪声仿真模型

将上述有限元仿真模型计算得到的梁体振动响应结果作为激励，输入至Virtual.lab Acoustics模块下建立的声学仿真模型中，采用瞬态边界元法进行声辐射预测，计算场点声压级，进而与实测结果进行对比分析。

三维声学仿真模型如图6所示，图中箱梁为结构网格，箱梁轮廓包络线为声学网格，场点网格位于桥梁跨中截面，为图中深色区域，同时在面场点网格上呈网状布置了对应于试验测点的11个点场点(球状散点)。为与测试工况保持一致，模型中考虑隔声墙和地面对噪声的反射作用。

图6 声学仿真模型(结构网格、声学网格和面场点网格及点场点相对位置)

2.3.2 结构辐射噪声频域分析

如图7所示为桥梁中心线截面测点9~11的仿真和实测噪声声压级1/3倍频程对比。由于篇幅所限，其余测点的对比图及对比分析此处不再赘述。

由图7可知：所有测点的仿真和实测结果均在50~80 Hz频段内达到峰值，峰值声压级均在85 dB左右，且所有测点的仿真声压级在不同频率段的分布趋势与实测声压级变化基本一致；但在16~40 Hz及100~200 Hz的频带内仿真声压级略低于实测值，这可能与模型的简化有关。

(a) 测点9；(b) 测点10；(c) 测点11

总的来说，本文建立的结构振动辐射噪声边界元模型能很好地反映场点声压级在8~250 Hz频带内的变化趋势及声压级值。

3 不同高度隔声墙降噪效果仿真分析

3.1 不同高度隔声墙降噪效果时域分析

在噪声传播路径中采用隔声措施是控制噪声最常见且有效的方法之一，隔声墙作为一种在城市交通常用的降噪措施，研究其在不同应用场合下的降噪效果具有较重要的意义。为了分析隔声墙的降噪效果，本文计算了无隔声墙以及与实测相对应的4.5 m高度隔声墙的噪声分布；此外，由于桥梁底板距地面高度为6.1 m，考虑设立略高于桥梁底板的隔声墙(6.7 m)；且由于隔声墙从0~4.5 m高度跨度较大，在其中增加仿真2.2 m高度的隔声墙。基于上述分析，本文改变隔声墙高度分别为0，2.2和6.7 m，进行仿真计算和对比分析，来研究隔声墙高度对高架轨道结构噪声的影响规律。如图8所示，在水平距离30 m范围内，随着场点与桥梁中心线距离的增加，声压级呈现出外凸的近似波面衰减，可见在此空间范围内，结构振动激励直接引起的声压变化占主导地位[10]。分别对比图8(a)，图8(b)，图8(c)和图8(d)，可以看出，噪声传递至隔声墙时，在墙面处发生反射，在墙体顶端发生绕射，使得隔声墙后声压的分布变得较为复杂，其他高度隔声墙对噪声时域声场分布的影响与4.5 m隔声墙类似。

(a) 无隔声墙时列车位于桥梁中间场点声压云图；(b) 4.5 m隔声墙时列车位于桥梁中间场点声压云图；(c) 无隔声墙时列车前转向架刚要离开桥梁场点声压云图；(d) 4.5 m隔声墙时列车前转向架刚要离开桥梁场点声压云图

3.2 不同高度隔声墙降噪效果频域分析

图9和图10为不同隔声墙高度下噪声测点1~250 Hz等效连续线性声压级和倍频程。由图9~10可以看出，不同高度的隔声墙对于不同位置处噪声声压级的影响有所区别：

1) 位于隔声墙后的场点1~3声压受隔声墙高度的影响较为显著，相对距离桥面较近的场点4变化不大，即同一高度的隔声墙在不同场点处的降噪效果不同；

2) 隔声墙的降噪效果并不是随着墙高度的增加而单调增加，场点声压级先随着隔声墙高度的增加而减小，但在4.5 m高度处有所增加，在6.7 m处继续减小；因此在考虑经济及美观的情况下，可以设立2.3 m左右的隔声墙，在不考虑经济及美观的情况下，可以设立6.7 m左右的隔声墙。

图9 不同隔声墙高度下噪声测点8~250 Hz等效连续线性声压级

(a) 测点1；(b) 测点2；(c) 测点3；(d) 测点4

综上所述，隔声墙对于位于隔声墙后的场点有一定的降噪效果，需要注意的是，降噪效果与隔声墙高度之间呈现非线性关系，若桥梁附近敏感区有高等级降噪要求，可以考虑在桥梁和敏感区之间设立一定高度的隔声墙，墙体高度根据降噪的总体和分频声压级要求加以确定。

4 结论

1) 桥梁振动辐射的噪声主要集中在底板附近，以小于250 Hz的低频噪声为主，全局峰值出现在50~63 Hz频率段。

2) 在一些较为复杂的现场工况，例如，本文试验中居民楼距高架桥的距离仅为20 m，可以考虑在居民楼和桥梁之间设立隔声墙，以此来降低桥梁结构噪声对居民生活的影响。

3) 隔声墙对于其后的场点有一定的降噪效果，且降噪效果与隔声墙高度并不呈简单的线性关系，随着隔声墙高度的增加，降噪效果呈现出先增大，再减小然后增大的趋势；若桥梁附近敏感区有降噪需要，可以根据降噪的频率和声压级要求在桥梁和敏感区之间设立一定高度的隔声墙，在考虑经济及美观的情况下，可以设立2.3 m左右的隔声墙。

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Research on the influence of ground acoustic wall height on elevated structure noise of rail transit

ZHANG Tianqi1, LIU Yan2, LUO Yanyun1, ZHOU Li1

(1. Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

Based on the method of field measurement, structural finite element method and acoustic boundary element simulation, the sound pressure distribution of noise radiated by 32 m double-span concrete box bridge structure vibration was analyzed under the train operating condition. On this basis, considering the establishment of different height insulation wall on the ground near the bridge, the impact of sound insulation wall height on the bridge structure noise was analyzed. The results show that the radiation noise of bridge vibration is mainly concentrated in the vicinity of the bottom plate, the web and the wing, with the noise near the bottom being most significant. The structural noise is dominated by low frequency, with less than 250 Hz frequency noise as the main component and the peak of 50~63 Hz. In some more complicated conditions, such as the closer distance between the residential building and the viaduct, sound insulation walls between residential buildings and bridges can reduce the impact of bridge structural noise on the residents’ life. The sound insulation wall has a certain noise reduction effect on the field point after the wall, but the noise reduction effect is not linearly related to the height of the insulation wall. Considering the economic benefits and beautiful circumstances, sound insulation wall with the height of 2.3 m is suitable.

rail transit overhead box girder; bridge low-frequency radiation noise; finite element; boundary element; height of sound insulation wall

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.023

U24；O421

A

1672 − 7029(2019)01 − 0168 − 08

2018−01−02

国家自然科学基金资助项目(51678446，51708422)

刘艳(1985−)，女，辽宁康平人，博士，从事轨道结构工程、振动与噪声控制研究；E−mail：lys_20170@163.com

(编辑 阳丽霞)